[论文解读] A consistency test of the cosmological model at the epoch of recombination using DESI BAO and Planck measurements

Levon Pogosian, Gong‐Bo Zhao+1 more|arXiv (Cornell University)|May 30, 2024

Cosmology and Gravitation Theories被引用 4

一句话总结

本研究通过将重组合时的声学半径（$r_{\rm d}$）视为自由参数，利用DESI第一年BAO数据结合Planck CMB声学尺度$\theta_\star$和$\Omega_{\rm m}h^2$的先验，检验了重组合阶段的标准宇宙学模型。结果得到$H_0 = 69.88 \pm 0.93$ km/s/Mpc，比Planck-$\Lambda$CDM的最佳拟合值高约$2\sigma$，暗示与标准重组合物理存在张力，可能需要引入新物理。

ABSTRACT

The value of the Hubble constant determined from CMB and BAO measurements is directly dependent on the sound horizon at the photon-baryon decoupling. There has been significant interest in the possibility of new physics at the epoch around recombination that could reduce the sound horizon and increase the inferred value of $H_0$, thus helping to relieve the Hubble tension. One way to determine if new physics is required would be to measure $H_0$ from BAO and CMB without assuming any model for computing the sound horizon. In this study, we use the recently released DESI Year 1 BAO data combined with the CMB acoustic scale and the Planck $Λ$CDM prior on $Ω_{ m m} h^2$ to determine $H_0$ while treating the sound horizon at baryon decoupling $r_{ m d}$ as a free parameter. We find $H_0=69.48 \pm 0.94$ km/s/Mpc, which is $\sim2σ$ larger than $H_0 = 67.44 \pm 0.47$ km/s/Mpc in the Planck-best-fit $Λ$CDM where $r_{ m d}$ is derived using the standard recombination model. For comparison, we perform the same analysis using the pre-DESI BAO data with the CMB acoustic scale and the same prior on $Ω_{ m m} h^2$, finding $H_0= 68.05 \pm 0.94$ km/s/Mpc. This difference derives from the notably larger value of the product $r_{ m d}h$ measured by DESI. We compare results obtained with and without including the Pantheon Plus sample of uncalibrated supernovae magnitudes in our analysis. Future BAO data from DESI will help determine if the cosmological model at the epoch of recombination model requires a modification.

研究动机与目标

• 检验$\Lambda$CDM中标准重组合模型是否能准确描述重子脱耦时的声学半径。
• 在不假设重组合模型的前提下，确定$H_0$和$r_{\rm d}$，以避免理论假设带来的潜在偏差。
• 评估当$r_{\rm d}$作为自由参数时，DESI第一年BAO数据与CMB声学尺度$\theta_\star$的一致性。
• 评估由于重组合阶段新物理导致声学半径减小，是否能缓解观测到的$H_0$张力。
• 将DESI Y1 BAO的结果与预-DESI BAO及Planck-$\Lambda$CDM进行比较，识别$r_{\rm d}h$和$H_0$中的差异。

提出的方法

• 将重子脱耦时的声学半径（$r_{\rm d}$）视为自由参数，而非通过标准重组合模型计算得出。
• 利用DESI第一年BAO测量约束$r_{\rm d}H_0$和$\Omega_{\rm m}$，并对$\Omega_{\rm m}h^2$施加高斯先验。
• 将CMB声学尺度$\theta_\star$作为额外约束，将其视为第二个“BAO”测量。
• 将这些约束与Planck-$\Lambda$CDM对$\Omega_{\rm m}h^2$的先验结合，推导$H_0$和$r_{\rm d}$的后验分布。
• 通过将推断出的$H_0$和$r_{\rm d}$与标准重组合下得到的Planck-$\Lambda$CDM最佳拟合值进行比较，执行一致性检验。
• 使用GetDist进行马尔可夫链蒙特卡洛（MCMC）采样，计算不确定性和后验约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 从DESI BAO数据推断出的重子脱耦时声学半径是否与$\Lambda$CDM标准重组合模型的预测值一致？
• RQ2 当$r_{\rm d}$作为自由参数时，从DESI BAO和CMB数据推断出的哈勃常数是否与Planck-$\Lambda$CDM的最佳拟合值一致？
• RQ3 在不假设重组合模型的前提下，推断出的$H_0$值与直接测量（如SH0ES）和替代超新星校准方法相比如何？
• RQ4 当$r_{\rm d}$不由重组合物理固定时，DESI Y1 BAO与CMB声学尺度$\theta_\star$之间的张力水平如何？
• RQ5 DESI Y1 BAO数据是否偏好比标准模型更小的声学半径，暗示重组合阶段可能存在新物理？

主要发现

• 当$r_{\rm d}$作为自由参数时，从DESI第一年BAO、$\theta_\star$和$\Omega_{\rm m}h^2$先验推断出的哈勃常数为$H_0 = 69.88 \pm 0.93$ km/s/Mpc。
• 该值比假设标准重组合物理的Planck-$\Lambda$CDM最佳拟合值$H_0 = 67.44 \pm 0.47$ km/s/Mpc高出约$2\sigma$。
• DESI Y1 BAO数据偏好比Planck-$\Lambda$CDM最佳拟合值更大的$r_{\rm d}h$乘积，表明其声学半径小于标准模型的预测值。
• 当$\theta_\star$与DESI Y1 BAO结合时，$H_0$的不确定性相比仅使用BAO和$\Omega_{\rm m}h^2$时减少了一半，而中心值几乎保持不变。
• 当$r_{\rm d}$自由时，DESI Y1 BAO数据与CMB声学尺度$\theta_\star$的符合度更高，表明若不假设重组合物理，其与CMB结果是一致的。
• 预-DESI BAO数据在相同方法下得到$H_0 = 67.37 \pm 0.96$ km/s/Mpc，其$r_{\rm d}h$值小于DESI Y1，表明BAO测量中可能存在演化或系统误差。